Полупроводниковые диоды. 
Электротехника и электроника

Общие сведении. К диодам относят полупроводниковые приборы с одним электрическим переходом и двумя выводами. В большинстве типов полупроводниковых диодов используется рассмотренный выше несимметричный />-/?-псреход, в котором:

=> область с большей концентрацией основных носителей (например, область р с концентрацией р_р«п_п) является сравнительно низкоомной, и ток через диод при прямом включении р-л-перехода определяется потоком ее основных носителей. Поэтому низкоомную область полупроводникового кристалла диода называют эмиттером;

=> область с низкой концентрацией основных носителей (например, область п с концентрацией п" «р_{)) является высокоомной. Из-за большого различия в концентрации основных носителей р-л-переход практически целиком расположен в высокоомной области. Эта область получила название базы.

О волы-амперных характеристиках диодов. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) полупроводниковых диодов отличаются от характеристики электронно-дырочного перехода, приведенной на рис. 3 в параграфе 5.2. Рассмотрим причины отличий.

В области прямых токов отличия связаны с тем, что часть внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, падает:

=> на объемном сопротивлении базы R" которое определяется ее геометрическими размерами и удельным сопротивлением исходного материала. Его значение может составлять от единиц до нескольких десятков Ом;

=> на сопротивлении Rq выводов диода.

Поэтому напряжение, подводимое непосредственно к />-л-переходу, будет меньше внешнего напряжения, поступающего на выводы диода, и ВАХ диода становится более линейной и идет ниже характеристики р-п-перехода.

В области обратных токов следует учитывать:

=> размеры кристалла, которые влияют на процессы, происходящие на его поверхности. Из-за них возникает ток утечки /_у;

=> размеры р-п-перехода, так как из-за происходящих внутри его процессов возникает так называемый ток термогенерации Ij, связанный с образованием свободных носителей зарядов.

Таким образом, обратный ток полупроводникового диода складывается из теплового тока /₀, тока утечки /_у и тока тсрмогснсрации /_т, и поэто;

му обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода отличается от обратной ветви р-п-перехода.

В германиевых диодах основную роль играет тепловой ток /о, который удваивается при увеличении температуры окружающей среды на каждые 7…10°С. С ним соизмерим и ток утечки /_у, зависящий в основном от обратного напряжения.

В кремниевых диодах тепловой ток /₀ удваивается при увеличении температуры окружающей среды на каждые 82 °C, но он на 6−7 порядков ниже, чем у германиевых диодов и в сотни раз меньше тока термогенерации и утечки, поэтому его можно не учитывать. Основными составляющими обратного тока кремниевых диодов являются токи термогенерации /_т и утечки /у, поэтому обратный ток кремниевых диодов отличается от обратного тока германиевых диодов всего на 1,5…2 порядка. В обоих типах диодов ток медленно возрастает при увеличении обратного напряжения.

Основные классификационные признаки диодов. В настоящее время выпускается и находит применение широкое многообразие различных типов полупроводниковых диодов, которые можно разбить на отдельные группы по следующим признакам:

=> по используемому полупроводниковому материалу: кремниевые, германиевые и арсенидгаллиевые диоды;

=> по технологии изготовления: точечные, плоскостные и диффузионные диоды;

=> по принципу действия: диоды Шоттки, туннельные, лавинно-пролетные, излучающие, фотодиоды, диоды Ганна и др.;

=> по назначению: выпрямительные, импульсные, высокочастотные диоды, стабилитроны, варикапы и др.

Технология изготовления полупроводниковых диодов. По используемым технологиям изготавливаются точечные, плоскостные (сплавные) и диффузионные диоды.

Точечные диоды. Для изготовления диода используется пластина из полупроводника и металлическая проволока. Переход формируется в месте контакта полупроводника с острием металлической проволоки (пружины). Через контакт пропускают импульс тока в несколько ампер, который вплавляет острие металла в полупроводник. Происходит диффузия металла в полупроводниковую пластину и образуется полусферический /т-л-переход (рис. 1). Малая площадь перехода позволяет получить малую емкость диода и благодаря этому увеличить рабочий диапазон частот до сотен мегагерц. Малая.

плоишь перехода определяет также небольшой допустимый ток диода. Типовые параметры точечного диода (например, Д18): С_д~ 1 иФ; /?_дпр~ 10 Ом;

Рис. 2. Плоскостной сплавной диод.

Рис. 1. Точечный диод

Плоскостные сплавные диоды. Переход в таких диодах формируется методом сплавления полупроводниковой пластины с металлом. На пластину исходного полупроводника накладывают металл или сплав, содержащий донорные или акцепторные примеси (рис. 2, я). Затем этот материал нагревают до температуры, достаточной для того, чтобы часть полупроводника растворилась в полученном расплаве (выделенная область на рис. 2,6). При последующем охлаждении происходит рекристаллизация исходного полупроводника с примссыо вплавленного металла и образуется плоский /?-/7-переход.

Диффузионные диоды. Переход создается посредством диффузии примеси, находящейся в газообразной, жидкой или твердой фазах, в полупроводниковую пластину. Если диффузия примеси проводится через отверстия в защитном слое, нанесенном на поверхности полупроводника, то получают так называемый планарный /^-//-переход. Диффузионные диоды отличаются от сплавных меньшей собственной емкостью и малым значением постоянной времени (С_д ~ 1. .2 пФ; Тб ~ 3 нс).

Отметим, что при интегральной технологии в качестве диодов, как правило, используются транзисторы в диодном включении. Наиболее часто с этой целью используют эмиттерный переход транзистора.

Рассмотрим основные типы полупроводниковых диодов и их особенности.

Выпрямительные, или силовые, диоды. Этот тип диодов использует вентильные свойства р-л-перехода и применяется в выпрямителях переменного тока.

В настоящее время наибольшее распространение получили кремниевые выпрямительные диоды, которые по сравнению с германиевыми диодами имеют:

=> во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении;

=> высокое значение допустимого обратного напряжения 1000… 1500 В (у германиевых диодов — 100. .400 В);

=> широкий рабочий диапазон температур от -60 до +150°С (у германиевых — от -60 до +85° С).

Основные электрические параметры выпрямительных диодов связаны с вентильным эффектом.

=> /цр макс — максимальный прямой ток;

=> U«р — падение напряжения при прямом смещении и заданном прямом токе. Значение U_np открытог о диода не превышает для германиевых диодов 0,5 В, а для кремниевых — 1,5В;

=> / обр — ток через диод при заданном обратном смещении U^_p

=> обр доп — допустимое обратное напряжение;

=> /max — максимально допустимая частота входного напряжения.

Выпрямительные диоды классифицируют по мощности и частоте. По мощности:

=> маломощные (/_{пр макс}^0,3 А);

=> средней мощности (0,3 А< /_прМакс <10 А);

=> большой МОЩНОСТИ (/пр макс > 10 А) По частоте:

=> низкочастотные (/_пш<О³ Гц);

=> высокочастотные (f_mdX >10³Гц).

В качестве выпрямительных применяются также диоды, выполненные на выпрямляющем переходе металл — полупроводник (диоды Шоттки). Их отличает меньшее, чем у диодов с />-л-переходом, напряжение U_np и более высокие частотные характеристики.